室內(nèi)空氣凈化復合材料的研究進展

周彥麗，陳宇剛（.江西服裝學院藝術設計分院，江西省南昌市 3300；.江西服裝學院服裝工程分院，江西省南昌市 3300）

室內(nèi)空氣凈化復合材料的研究進展

周彥麗1，陳宇剛2
（1.江西服裝學院藝術設計分院，江西省南昌市 330201；2.江西服裝學院服裝工程分院，江西省南昌市 330201）

綜述了室內(nèi)空氣凈化復合材料的研究進展。其中，物理型空氣凈化復合材料主要利用活性碳纖維、硅膠和沸石等對空氣中有害氣體進行吸附，通過調(diào)節(jié)材料的形貌和分散度，對有害氣體的吸附能力可達30 mg/g以上；化學型空氣凈化復合材料是利用納米二氧化鈦的催化作用，使空氣中的有害氣體發(fā)生化學反應而分解，通過共摻雜和改性等手段可使其對有害氣體的分解度提高到99%以上；復合型空氣凈化復合材料兼具吸附性能和光催化性能，能夠有效去除空氣中醛類和芳香類等有害氣體，凈化效果可達99.3%～99.9%。

復合材料 活性碳纖維 納米二氧化鈦 室內(nèi)空氣凈化

隨著室內(nèi)裝修程度的提高，室內(nèi)環(huán)境污染愈加嚴重，主要污染物是甲醛、碳氧化合物、氮氧化合物及含硫化合物等有毒氣體，另外，其他裝修材料所含有的揮發(fā)性芳香族化合物、醚類、酯類和酚類化合物等也會對人體健康造成不同程度的損害［1-2］。因此，室內(nèi)污染問題成為當今社會急需解決的首要問題之一。解決室內(nèi)污染的方法主要包括物理法、化學法和生物法［1-2］。物理法主要利用材料的吸附性能去除有害氣體，這種方法主要依賴于材料本身的吸附能力、比表面積以及形貌等特征。活性碳纖維吸附性能較好，是一種較為理想的物理去除污染氣體的材料?；瘜W法是利用氧化還原反應將空氣中的有害氣體轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒的二氧化碳和水，納米二氧化鈦在光照下就可以催化甲醛等有害物質(zhì)降解，還可以與其他物質(zhì)共摻雜，從而進一步提高其凈化空氣的能力，在室內(nèi)空氣凈化中應用較廣泛［3］。生物法是利用活體植物或酶的作用對有害氣體進行降解，通常不用于材料的制備。將物理吸附材料和化學降解材料與高分子材料進行復合應用于室內(nèi)，既可以保證室內(nèi)景觀的美觀，又可以實現(xiàn)室內(nèi)空氣的凈化。本工作主要綜述了室內(nèi)空氣凈化復合材料的研究進展。

1 物理型空氣凈化復合材料

與傳統(tǒng)納米碳材料相比，活性碳纖維具有更高的比表面積，與高分子材料具有較好的相容性；而且活性碳纖維表面含有羥基、氨基、羰基等活性基團，一方面可對其進行表面改性，另一方面又可以通過化學鍵將其與高分子材料相連，提高材料的均一性和穩(wěn)定性。所以，物理型空氣凈化材料通常是以高分子材料為基體，與活性碳纖維進行物理摻雜或化學連結(jié)，從而制備具有凈化空氣能力的復合材料。另外，以硅膠和沸石作為第二組分的物理型空氣凈化材料也較為常見。

泡沫塑料的多孔結(jié)構(gòu)可以保證復合材料中的活性碳纖維、硅膠、沸石等吸附材料充分與空氣中甲醛等有毒氣體接觸，另外，聚氨酯和酚醛樹脂等泡沫塑料又具有較好的力學強度、保溫性能、抗靜電性能、阻燃性能，被廣泛應用于室內(nèi)墻壁、地板等保溫阻燃設施中［4-5］。納米碳材料和硅材料與泡沫塑料的相容性較好，較為成熟的制備工藝有物理共混法和化學偶聯(lián)法。呂君亮等［5］分別采用化學偶聯(lián)法和物理共混法制備了聚氨酯/納米碳材料復合材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：物理共混法操作簡單，但納米碳材料容易在聚氨酯基體內(nèi)發(fā)生團聚；化學偶聯(lián)法制備工藝較復雜，但納米碳材料在基體內(nèi)分散較均勻。Huang Yingjuan等［6-8］利用納米碳材料表面的羥基將茂金屬催化劑通過化學鍵連結(jié)在納米碳材料表面，將其用于烯烴聚合，原位制備了聚乙烯/納米碳材料（見圖1）和聚丙烯/納米碳材料復合材料，且納米碳材料分散均一。硅材料和沸石與納米碳材料類似，也可以通過物理共混法和化學偶聯(lián)法制備復合材料。

圖1 原位法制備的聚乙烯/納米碳材料的微觀形貌（×10 000）Fig.1 Microphase of PE/nano carbon composite prepared in situ

胡玉娟等［9］將聚醚多元醇、水、催化劑和竹炭劇烈攪拌混合均勻，加入甲苯二異氰酸酯，迅速倒入模具中，發(fā)泡成型，經(jīng)固化脫模制備了竹炭質(zhì)量分數(shù)為5%～25%的泡沫塑料/竹炭復合材料。從圖2可以看出：隨著竹炭含量的增加及吸附時間的延長，復合材料對甲醛的吸收量增多；但竹炭含量過高，由于竹炭在基體內(nèi)發(fā)生團聚，或堵塞泡沫塑料孔洞，使曲線出現(xiàn)小范圍波動。總體來說，所制泡沫塑料/竹炭復合材料對甲醛的吸收效果較好，最高可達約30 mg/g。

圖2 竹炭含量對泡沫塑料/竹炭復合材料吸收甲醛的影響Fig.2 Impact of bamboo charcoal content on formaldehyde adsorption by bamboo charcoal/cellular plastics composite

2 化學型空氣凈化復合材料

納米二氧化鈦屬于半導體材料，價帶充滿電子，能壘較低，而導帶為空穴，能量較高，并且導帶與價帶之間存在禁帶。以催化分解甲醛為例，從圖3可以看出：當入射可見光或紫外光的能量大于電子躍遷禁帶所需的能量，則會發(fā)生路徑A的變化，價帶電子會躍遷到導帶，而價帶則會留下空穴；空穴一般具有較強的得電子性，可以奪取空氣中水分子或氫氧根離子的電子，通過路徑B形成羥基自由基；空氣中的甲醛則會通過路徑C與所生成的羥基自由基反應，被氧化為甲酸，并進一步分解為無毒的二氧化碳和水。

圖3 納米二氧化鈦催化分解甲醛機理示意Fig.3 Mechanism of formaldehyde degradation catalyzed by nano-TiO2

20世紀70年代，F(xiàn)rank等［10］最早成功利用納米二氧化鈦處理污染物，起初用于分解污水中的有害物質(zhì)。直至1990年，Dibble等［11］研究發(fā)現(xiàn)，納米二氧化鈦可以在光催化下成功降解三氯乙烯，從而首次實現(xiàn)了納米二氧化鈦在光催化作用下降解有害氣體。1992年，Ollis等［12］采用不同濃度的納米二氧化鈦催化氧化甲醛、丁醛、二甲苯、丙酮和丁醇，發(fā)現(xiàn)適量的水或空氣濕度對催化氧化反應有利，而水含量和空氣濕度過高或過低都會使降解反應不完全。隨后，他們又研究了納米二氧化鈦對混合氣體的分解效果，研究發(fā)現(xiàn)，混合氣體中三氯乙烯的存在可以促進揮發(fā)性醛類、酮類、醚類、脂肪族和芳香族化合物的分解，但對揮發(fā)性鹵代烷烴的分解沒有促進作用［13-14］。1997年，Alberici等［15］利用納米二氧化鈦薄膜，在φ（O2）為21%的條件下對揮發(fā)性醛類、酮類、醚類、脂肪族和芳香族有機化合物的降解效果進行了研究。從表1可以看出：除了甲苯、異丙苯、吡啶和1，1，1-三氯乙烷外，其他物質(zhì)的降解程度均較高，并且無副產(chǎn)物產(chǎn)生。有害氣體的降解效果也受O2含量的影響，Brigden等［16］研究發(fā)現(xiàn)，φ（O2）小于5%時，揮發(fā)性有機物的降解效果較差，而當φ（O2）為5%時，大部分物質(zhì)的降解程度均能高達95.0%以上。通過以上研究，初步實現(xiàn)了利用納米二氧化鈦材料降解室內(nèi)有害氣體的目的。

表1 納米二氧化鈦薄膜對有機物的降解效果Tab.1 Organics degradation by nano-titanium dioxide film

1997年，我國開始采用納米二氧化鈦材料降解室內(nèi)污染物，經(jīng)過近20年的研究，對不同類型納米二氧化鈦、光照時間、光照條件、光照波長、O2含量、溫度、壓力、空氣相對濕度、污染物濃度等因素進行優(yōu)化。沈抗燕等［17］研究發(fā)現(xiàn)，當納米二氧化鈦質(zhì)量為0.1 g，紫外光波長為365 nm，污染物濃度為0.000 1 mol/L時，幾乎可以完全降解甲醛、乙醛、丙酮、甲醇、乙醇、鄰二甲苯、間二甲苯等物質(zhì)。

雖然納米二氧化鈦可以高效催化污染物的降解，但容易發(fā)生團聚，從而使其在實際應用中降解效率有所降低。通常情況下，可以利用溶膠-凝膠法、水熱法、化學沉積法、濺射法和偶聯(lián)法等將納米二氧化鈦通過物理或化學方法與其他基體材料復合，改善納米二氧化鈦的分散性，提高實際應用中的催化活性和降解效果［1-2］。其中，聚合物基體較為理想，一方面可以保證對室內(nèi)污染物降解的能力，另一方面又可以利用高分子材料易加工、易著色等性質(zhì)，對室內(nèi)景觀進行靈活設計。田福禎等［18］將氫氧化鈉和四氯化鈦制備成膠體，然后在其中加入納米水合二氧化鈦膠體、殺菌劑、活性炭、助劑等物質(zhì)，合成了一種具有吸附、消除、降解空氣中甲醛等有害物質(zhì)的多功能納米二氧化鈦復合材料。他們將制備的納米二氧化鈦復合材料與塑料、高分子纖維等進一步復合，制備了具有凈化室內(nèi)空氣功能的高分子復合材料。在其研究成果中，制備的含有30 g納米二氧化鈦粉體材料的高分子纖維復合材料“中國結(jié)”制品，在9 h內(nèi)可將1 m3密閉空間內(nèi)的甲醛質(zhì)量濃度從0.50 mg/m3降低到0.08 mg/m3，達到了國家對室內(nèi)甲醛含量的限定標準。丁震等［19］采用溶膠-凝膠法將3種不同類型的納米二氧化鈦與金屬離子共摻雜后，負載于聚合物基體表面，成功制備了納米二氧化鈦復合材料，并可較為顯著地降解甲醛等有害氣體。不同金屬離子對納米二氧化鈦復合材料的凈化效果有影響，金屬鑭離子質(zhì)量分數(shù)為1.5%的復合材料對甲醛降解效率最高，且失活的催化劑經(jīng)清潔后可重復利用。2015年，中材科技股份有限公司制備了一種由聚乙烯、聚丙烯或聚酯無紡布與網(wǎng)狀聚四氟乙烯薄膜復合的吸附材料，并在其上負載納米二氧化鈦制備了具有吸附及光催化性能的復合型高分子材料，這種材料對空氣中各種有害氣體的凈化能力高達99.3%～99.9%［20］。周曉麗［21］制備了一種具有光催化及吸附性能的納米二氧化鈦/二氧化硅殼核復合材料，這種材料十分穩(wěn)定，使用壽命可達300 h以上，并且在10 h內(nèi)可以將90.0%以上的乙醛成功降解，7 h內(nèi)成功吸附90.0%以上的甲苯蒸汽。王寧寧等［22］制備了納米二氧化鈦/二氧化硅復合整理液，并將其負載于聚酯纖維上，這種復合型的高分子空氣凈化材料可以有效降解室內(nèi)甲醛、乙醛、甲苯等有害氣體。

實驗室條件下獲得的數(shù)據(jù)與實際應用通常存在一定的偏差。鹿院衛(wèi)等［23］通過評估國內(nèi)外4種不同的納米二氧化鈦空氣凈化復合材料發(fā)現(xiàn)，只含有納米二氧化鈦的凈化材料不能達到理想的凈化作用，而與活性碳纖維等吸附材料共摻雜的多功能凈化材料對室內(nèi)空氣凈化效果較為顯著。日本石原產(chǎn)業(yè)株式會社利用摻雜法將納米二氧化鈦粉末與納米碳纖維與纖維材料進行共摻雜，經(jīng)二次成型制備成蜂窩型材料，已經(jīng)成功應用于室內(nèi)空氣的凈化［24］。

3 結(jié)語

吸附材料在基體中的含量、分布及形貌對物理法吸附效果影響較大，其中，提高吸附材料含量、分布均勻性以及吸附材料的孔隙率可以提高其吸附性能?；瘜W型空氣凈化復合材料的凈化效果受納米二氧化鈦類型、含量，室內(nèi)溫度、濕度、O2含量、光照強度、光照波長等因素影響。在室內(nèi)空氣凈化領域中，單一類型的凈化材料對有害氣體的凈化效果皆不理想，通常會利用具有吸附、消除、降解等多方面功能的復合材料，以提高室內(nèi)空氣凈化效果。兼具吸附性能和光催化性能的高分子復合材料不僅可以滿足室內(nèi)空氣凈化效果要求、改善居住環(huán)境，還可以實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境設計的美觀和便捷，在室內(nèi)領域中的應用前景較為廣泛，是未來室內(nèi)空氣凈化材料的發(fā)展主流。

［1］張榮. 共摻雜TiO2/ACF復合材料吸附-光催化降解室內(nèi)甲醛的實驗研究［D］. 重慶：重慶大學， 2011.

［2］韓燕飛. 共摻雜納米TiO2光催化薄膜降解室內(nèi)甲醛污染的實驗研究［D］. 重慶：重慶大學， 2008.

［3］陳平. 光催化技術降解室內(nèi)甲醛的研究綜述［J］. 能源與環(huán)境， 2014（5）：73-75.

［4］王靜榮. 碳納米管改性方法對其與聚氨酯的復合材料性能的影響［J］. 合成纖維， 2010（10）：6-19.

［5］呂君亮， 劉意， 易運紅. 碳納米管改性聚氨酯復合材料［J］.合成樹脂及塑料， 2011， 28（3）：24-26.

［6］Huang Yingjuan， Qin Yawei， Zhou Yong， et al. Polypropylene/ graphene oxide nanocomposites prepared by in situ Ziegler-Natta polymerization［J］. Chem Mater， 2010， 22（13）：4096-4102.

［7］Song Ping′an，Liu Lina，Huang Guobo， et al. Facile fabrication of polyolefin/carbon nanotube composites via in situ friedelcrafts polyalkylation：structure and properties［J］. Ind Eng Chem Res，2013， 52（40）：14384-14395.

［8］Kim J，Kwak S，Hong S M，et al. Nonisothermal crystallization behaviors of nanocomposites prepared by in situ polymerization of high-density polyethylene on multiwalled carbon nanotubes ［J］. Macromolecules， 2010， 43（24）：10545-10553.

［9］胡玉娟， 黃雪紅. 竹炭-泡沫塑料復合材料對甲醛吸附性能的研究［J］. 合成化學， 2005， 13（6）：603-606.

［10］Frank S N， Bard A J. Heterogeneous photocatalytic oxidation of cyanide ion in aqueous solution at TiO2powder［J］. J Am Chem Soc， 1977， 99（1）：303-304.

［11］Dibble L A， Raupp G B. Kinetics of the gas-solid heterogeneous photocatalytic oxidation of trichloroethylene by near UV illuminated titanium dioxide［J］. Catal Lett，1990，4（4/5/6）：345-354.

［12］Petal J， Ollis D F.Heterogeneous photocatalytic oxidation of gas-phase organics for air purification［J］. Chem Inform，1992，136（2）：554-565.

［13］Luo Yang，Ollis D. F. Heterogeneous photocatalytic oxidation of trichloroethylene and toluene mixtures in air：kinetic promction and inbition，time-dependent［J］. Journal of Catalysis，1996，163（1）：1-11.

［14］d′Hennezel O，Ollis D F. Trichloroethylene-promoted photocatalytic oxidation of air contaminants［J］. Journal of Catalysis，1997，167 （1）：118-126.

［15］Alberiei R M， Jardim W F. Photocatalytie destruction of VOCs in the gas-phase using titanium dioxide［J］. Appl Catal B Environ，1997，2（14）：55-68.

［16］Brigden C T，Poudston S，Twigg M，et al. Photo-oxidation of short-chain hydrocarbons over titania［J］. Appl Catal B Environ，2001，32（2）：63-71.

［17］沈抗燕，唐新碩. Ti02粉末催化劑光催化降解室內(nèi)空氣中有機污染物［J］. 杭州大學學報，1998，25（4）：55-58.

［18］田福禎，郭敏杰，倪麗琴，等. 室內(nèi)甲醛吸附-反應-降解復合納米材料的制備與應用［J］. 應用化工，2005，34（9）：576-581.

［19］丁震，陳曉東，袁春偉，等. 金屬泡沫鎳負載納米TiO2光催化降解空氣中甲醛［J］. 上海環(huán)境科學， 2005， 24（5）：185-188.

［20］宋尚軍，范凌云，周群，等. 一種空氣凈化過濾材料及其制備方法：中國，104258636［P］.2015-01-07.

［21］周曉麗. 具有吸附-光催化性能的核殼SiO2/TiO2材料在室內(nèi)空氣凈化中的應用［D］. 上海：上海師范大學， 2015.

［22］Memon H，王寧寧， 王玨，等. 負載納米二氧化鈦光催化織物的制備及其性能研究［J］. 浙江理工大學學報，2016 （1）：1-3.

［23］鹿院衛(wèi)，馬重芳，王偉，等. 幾種光催化空氣凈化器的性能測試分析［J］. 北京工業(yè)大學學報，2005，3l（1）：58-62.

［24］黃漢生. 日本二氧化鈦光催化劑環(huán)境凈化技術開發(fā)動向［J］. 現(xiàn)代化工， 1998（12）：39-42.

Research development of composite materials for interior air purification

Zhou Yanli1， Chen Yugang2
（1. School of Art Design， Jiangxi Institute of Fashion Technology， Nanchang 330201， China；2. Garment Engineering， Jiangxi Institute of Fashion Technology， Nanchang 330201， China）

This paper reviews the research progress of composite materials for interior air purification. Among which， the air purification material through physical methods is used to absorb harmful gas with active carbon fibers， silica gel and zeolite. The adsorption activity of the material could be improved up to 30 mg/ g by varying its dispersion degree and morphology. Nano-titanium dioxide is employed in chemical type air purification material due to its catalytic degradation to harmful gas， and the degradation effects can be improved to 99% by co-doping modification. Composite type composite which possesses both adsorption and photocatalytic performance， can effectively remove the harmful gases in the air such as aldehydes and aromatics with purification effect as high as 99.3 to 99.9%.

composite material； active carbon fiber； nano-titanium dioxide； interior air purification

TQ 050.4+3

A

1002-1396（2016）04-0098-04

2016-01-27；

2016-04-26。

周彥麗，女，1981年生，講師，碩士，2005年畢業(yè)于河南師范大學環(huán)境藝術設計專業(yè)，主要從事室內(nèi)空間設計及空氣凈化復合材料的研究工作。聯(lián)系電話：

13697917968；E-mail：54503426@qq.com。

*通信聯(lián)系人。E-mail：28941204@qq.com。